电子信息类专业虚实结合实验教学项目建设与实践

王永慧, 程知群, 马学条, 郑雪峰, 刘国华

(杭州电子科技大学 电子信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心, 浙江 杭州 310018)

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中明确提出：把改革创新作为教育发展的强大动力,把提高质量作为教育改革发展的核心任务,全面实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”;深化教学改革,强化实践教学环节;实践教学是高校提高人才培养素质的重要环节,对提高学生的创新能力、实践能力和综合素质具有特殊作用[1-3]。

为了提高实践教学质量,我校电子专业的团队教师进行了如下实践教学改革：(1)对综合创新性虚实结合实验项目不断进行迭代更新,加入学科前沿技术,内容涉及一门课程多个知识点、系列课程多个知识点、相关课程或多门课程等,使学生建立知识的关联性和系统性,加强了学科之间的交叉融合,使实验教学实现由单一实验技能锻炼向综合能力素质培养的转变;(2)依托国家级虚拟仿真实验教学中心管理平台,构建跨越时间、空间以及资源共享的实验教学环境,使实验教学实现由固定场所向互联网场所的转变;(3)通过“视频观摩—仿真设计—虚实融合—课外实践拓展”等环节,使实验教学与工程应用相接轨,满足创新型工程人才培养需求,提升学生综合能力素养。

1 实验教学模式

按原先的教学模式,仿真只能在实验室,时间和场地都很受限制,缺乏灵活性,不能激发学生的学习兴趣,学生不能进行课外拓展等仿真实验[4-7]。经过多年的实验教学改革与实验平台建设,形成了“远程实验”教学模式,如图1所示。依托电子信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心在线教学管理平台,共享教学资源及实验教学环境,不同课程共享不同的仿真软件,使学生的学习成为“处处能学、时时可学”的泛在学习,还可进行课外拓展实验设计仿真,有效地调动了学生的积极性,提升了学生的自主研学能力。

图1 在线虚拟仿真实验教学流程图

形成了“视频观摩—仿真设计—虚实融合—课外实践拓展”的具有启发与自我创新性的实验教学方法。学生利用线上资源进行视频观摩、答疑,通过教学管理平台完成远程虚拟仿真设计,在实验室进行实物实验,利用虚实融合的方式,完成复杂系统实验设计,学生还可进行课外实践拓展,完善、提升所设计的电路。在整个过程中,学生积极地进行研讨和分析,极大地激发了学习兴趣,提高了自主创新能力,培养了分析解决实际工程问题的能力。

2 实验项目实施

综合创新性虚实结合实验项目是依托国家级虚拟仿真实验教学平台实施的。具体过程如下：

(1) 任务布置。指导教师在开课前1周通过教学平台发布实验设计任务,学生3人一组,以团队协作方式完成实验方案设计。

(2) 视频观摩。提前录制实验教学视频并发布在教学平台上,视频内容包括仿真软件的操作使用、实验难点及重点讲解、典型案例操作演示等。

(3) 远程实验。学生在教学管理平台上可以完成远程虚拟仿真设计,也可通过教学平台答疑室功能模块,就实验中的难点、疑点和心得进行留言,并与教师互动。

(4) 课堂实验。团队成员通过分工设计、现象归纳总结、适用范围分析等步骤,探讨实验电路的最佳实现方案。指导教师选取两组优秀团队就实验设计进行讲解及心得分享,旨在提升实验教学的趣味性及研究性。

(5) 实验考核。实验考核注重学生实验的过程和对实验的参与度,实验最终成绩由实验成绩、生生互评成绩、实验综合素养成绩构成。在关注实验报告质量的同时,更关注学生在实验中所展示的积极性、团队合作意识和创新能力等。

3 综合创新性虚实结合实验项目设计

以下以基于FPGA的直流电机控制系统设计实验为例。

基于FPGA的直流电机控制系统,是采取自底向上的方法,使用Quartus II软件进行各模块的设计和虚拟仿真,再下载到FPGA开发板进行硬件测试[8-10]。直流电机控制系统对电机的PWM控制,是通过调节PWM的占空比,改变输出电压而进行的。直流电机测控系统电路模块图如图2所示,包括PWM信号发生器、频率计、消抖动电路、直流电机、电机驱动电路、按键输入电路、显示电路、红外发光及接收管。直流电机的转速由一对红外发光管和接收管获得,红外接收管只有当转盘上的小孔旋转到顶部位置时,才能接收到发光管发出的红外光线,从而在电路上输出一个脉冲。由于红外传感器接收到的信号里含有大量随机毛刺信号,其输出信号必须通过消抖动模块进行滤波。消抖动后的信号包含了电机的转速信息,此信号经频率计测试后,变成电机转速。

图2 直流电机测控系统电路模块图

当直流电机通以高电平时就会转动起来。由于无法通过改变电流的大小来改变直流电机的功率,所以要通过调节电机输入信号的占空比来实现,即在极短的时间内交替输入高低电平,从而达到控制电机平均功率的目的。键盘输入的预设转速用于控制PWM发生模块输出信号的占空比,从而使电机的转速始终跟踪预设的转速。

3.1 直流电机控制系统的设计

3.1.1 PWM信号发生器设计

FPGA中的数字PWM信号发生器与一般的模拟PWM信号发生器不同,用数字比较器代替模拟比较器,数字比较器的dataa端接设定值计数器输出,datab端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值大于设定值时输出低电平,当计数值小于设定值时输出高电平[11-14]。与模拟PWM信号发生器相比,省去了外接D/A转换器和模拟比较器,电路更加简单且便于控制。PWM信号发生器电路如图3所示,模块CNT8B是一个8位加法计数器,由LPM的计数模块LPM_COUNTER构成;模块COMP则是一个8位比较器,由LPM的比较模块LPM_COMPARE构成。

图3 PWM信号发生器电路

PWM信号生成原理图如图4所示,图上方的锯齿波是一个8位计数器的输出波形,最大值是255。如果比较器dataa端输入的常数C=90,则当计数器CNT8B输出的值小于90时,比较器输出较窄脉宽的方波信号,而当进入比较器的预置常数C=180时,比较器输出了更大占空比的信号,其脉宽是C=90时的2倍。显然,比较器输出方波的脉宽与端口所置的常数大小成正比,即占空比越大,PWM传输给电机的平均功率也就越大。而通过改变比较器dataa端的来自外部的输入数据,就能方便地改变输出的PWM的脉宽。

图4 PWM信号生成原理图

3.1.2 直流电机正反转控制电路设计

直流电机正反转控制电路由2个二输入与门和1个反相器组成,通过按键SL进行切换,其控制电路如图5所示。M0输出端接电机模块的正向输入端,控制电机的正向转动速度。M1输出端接电机模块的反向输入端,控制电机的反向转动速度。

图5 电机正反转控制电路

3.1.3 频率计设计

频率计由分配器、测频时序控制器、十进制计数器、寄存器等模块组成,其电路如图6所示。

控制计数器进行计数的使能信号的脉宽为1 s,则CO的输入频率为8 Hz,此频率通过FPGA内的锁相环和计数器获得。外部时钟频率CLK为20 MHz,通过锁相环输出时钟频率为4096 Hz,通过9位二进制计数器cout脚输出8 Hz信号,作为测频时序控制器CO的输入频率信号。对于测定转速极低(每秒转速小于1)的情况,不能使用这种频率计。因为此类频率计的缺点是,所测信号的频率越低,则测量精度越低,且根本无法测量小于1 Hz的信号频率。

3.1.4 电机调速及译码显示设计

电机调速及译码显示电路由4位二进制计数器和7段数码显示译码器组成,其电路如图7所示。

图6 频率计电路

图7 电机调速及译码显示电路

4位二进制计数器CNT4B的输出端与PWM信号发生器比较器的dataa端的高4位相连,通过按键KIN使进入比较器dataa端的常数C发生改变,从而实现对电机速度的调节。7段数码显示译码器DECL7S可以控制显示共阴极7段数码管的十六进制码,采用Verilog语言进行设计。

3.1.5 消抖动模块设计

在电路设计中,消抖动模块设计是十分重要的功能模块设计。除了利用RS触发器去除机械电子抖动和使用状态机进行消抖动电路设计外,还有许多其他类型的电路可用于消除信号的毛刺,比如通过对脉冲前后沿的毛刺进行计数比较的方法。采用计数比较法进行消抖动电路设计,其真值表所对应的case语句程序如图8所示。

图8 消抖动模块的case语句描述

3.2 PWM信号发生器仿真测试

通过教学管理平台中的Quartus Ⅱ软件的内嵌逻辑分析仪SignalTap II Logic Analyzer文件,对PWM信号发送器的测试数据进行采样分析,不同占空比的仿真测试结果如图9所示。仿真测试结果表明,通过改变比较器dataa端的来自外部的输入数据,可以调整PWM信号的占空比波形。电机转速分为16级,当PWM信号的占空比越大时,电机转速越高。图9所示为不同电机转速级别下对应不同的PWM信号占空比。

图9 不同占空比的PWM仿真波形

3.3 直流电机控制系统硬件测试

基于FPGA开发板进行虚实结合调节,FPGA开发板核心芯片型号为Cyclone III EP3C5E144C8。硬件测试系统还包括上位机、下载器、示波器和电机模块。在顶层设计电路中对输入信号、输出信号进行引脚锁定,编译下载.sof文件,通过物理按键切换控制电机的不同转速。硬件测试系统如图10所示。

图10 系统硬件测试图

4 结语

为了提高实践教学质量,培养学生自主创新能力,本文针对电子信息类专业的实践课程,从实验教学模式到实验教学过程实施,进行了一系列的教学改革与研究。实践表明,在综合创新性虚实结合实验项目中不断加入现代科技前沿技术,融合多知识点、多门课程内容,有利于学生建立知识的关联性和系统性,使实验教学由单一实验技能锻炼转变为综合能力素质培养;采用“远程实验”教学模式,共享教学资源,进行远程仿真设计,提升了学生的自主研学能力,使实验教学由固定场所转变为互联网场所;按照“视频观摩—仿真设计—虚实融合—课外实践拓展”的教学方法进行实验项目实施,学生的学习兴趣和自主创新能力得以提高,实验教学与工程应用实现了接轨,学生工程实践能力和工程应用能力大大加强。